il Modem

L’evoluzione dei servizi digitale è stata resa possibile dal Modem, il dispositivo attraverso cui è possibile scambiare dati digitali a grande distanza. Il suo nome è la contrazione delle due funzioni base implementare Modulazione e Demodulazione. La modulazione consente di sovrapporre ad una entità fisica (onde radio, acustiche, luce) un segnale digitale, la demodulazione di estrarre e rigenerare a distanza il segnale digitale.

Storicamente i modem nascono intorno alla metà degli anni ’20 per collegare le telescriventi via radio (RTTY), in ambiti in cui non era possibile usare il cavo – come i mezzi aerei e le navi. La trasmissione è fatta assegnando due frequenze leggermente diverse ai segnali mark e space. Sul lato ricevente, un filtro separa i due segnali, ricostruendo il dato digitale. E’ una tecnica definita FSK (Frequency Shift Keying), modulazione a spostamento di frequenza. In ambito radio è solitamente unidirezionale o half-duplex, con la trasmissione che avviene in un senso per volta. Lo shift, la differenza fra le due frequenze, era per le trasmissioni commerciali solitamente di 425 o 850Hz, con una velocità di 75 o 100 baud.

Nei primi anni ’60 cominciò a manifestarsi l’esigenza di potersi stabilire connessioni remote con i computer che all’epoca erano ospitati nei dei centri di calcolo, che portò alla nascita del primo modem telefonico: il Bell 103 Data Phone,

Il modem Bell 103 era progettato per stabilire comunicazioni full duplex a 300 bps sulla rete telefonica voce. Sotto il profilo tecnico, la modulazione utilizzata è AFSK (audio frequency shift keying), analoga a quella radio ma operante su frequenze acustiche. La banda telefonica è suddivisa in due canali, uno assegnato al chiamante e l’altro al ricevente. Ogni canale trasporta due toni, uno per il mark e l’altro per lo space. In Europa esiste uno standard simile, il V21, definito nel 1976 ed operante con frequenze diverse e quindi non direttamente compatibile.

I 300 bps sono stati per lungo tempo un limite difficile da scavalcare. Il problema non era solo tecnologico sul fronte dell’apparato modem in quanto tale, ma era legato anche alla qualità delle linee telefoniche. Anche se gli USA erano molto più avanti di noi europei – la teleselezione da loro è arrivata nel 1951, da noi solo nel 1970 – il degrado del segnale è un problema insito nelle connessioni analogiche. Per lungo tempo, poi, sulle reti telefoniche monopolistiche era proibito collegare apparati di terze parti, per cui i modem erano generalmente dotati di un accoppiatore acustico, che certo non migliorava la qualità del collegamento.

Sta di fatto che nel 1984, quando misi in funzione per la prima volta il mio BBS, i 300 bps erano ancora la velocità più diffusa. Nel frattempo, però, l’avvento del microprocessore e della integrazione a larga scala (VLSI) stava cambiando le cose. Ed il progresso seguiva due strade: l’aumento della velocità di trasmissione, e l’automazione del controllo del modem.

I primi modem, infatti, erano completamente manuali, nè poteva essere diversamente vista la necessità di inserire la cornetta del telefono nell’accoppiatore. Ma sul finire degli anni ’70, negli USA si avviò un processo di deregulation che rese finalmente possibile l’uso di dispositivi di terze parti, se omologati dalla FCC. Una delle aziende che si lanciò nel nuovo business fu la Hayes, che realizzo dei modem su scheda, da inserire all’interno dei computer, per sistemi basati su bus S-100 (Altair 8800 e derivati) e successivamente per l’Apple II. Una scheda interna aveva molti vantaggi, il più rilevante dei quali era quello che poteva essere gestito dal software, e questo rendeva possibile automatizzare funzioni che prima richiedevano la presenza di un operatore, una funzionalità molto apprezzata dal mercato. Ma aveva nel contempo anche un grande svantaggio, visto che il suo mercato era limitato agli utenti delle due tipologie di computer con cui erano compatibili.

Nel 1981 la Hayes creò il vero prodotto di svolta: lo smartmodem. Questa volta era dispositivo esterno, collegato via RS232, e quindi utilizzabile con ogni dispositivo, ma era comunque controllabile via software attraverso una serie di comandi destinati a diventare in breve uno standard de facto. Il modem aveva due modi di funzionamento. Quando era disconnesso, rimaneva in attesa di un comando, che iniziava sempre con i caratteri AT (da attenzione). Questi comandi consentivano di aveva un controllo competo del modem. Ad esempio ATA istruiva il modem a rispondere alla chiamata, ATDT12345 di chiamare il numero 12345 usando la composizione a toni. Dei registri consentivano di configurarne il comportamento, ad esempio ATS0=1 istruiva il modem a rispondere automaticamente al primo squillo.
In modo comandi, il modem inoltre informava il computer di cosa accadeva sulla linea telefonica. Il modem inviava la stringa RING se una chiamata era in arrivo, e riportava l’esito della connessione con un ‘CONNECT’ o un ‘NO CARRIER’. Era in grado di rilevate anche il tono di linea, rispondendo con un ‘NO DIALTONE’ se questo era assente. Il tutto era reso possibile dal suo microcontrollore, uno Z8, con 2k di firmware. Era la pietra d’angolo su cui sviluppare tantissime nuove applicazioni.

Nello stesso periodo si andavano concretizzando tutte le condizioni per  consentire alla connettività di cominciare a spiccare il suo lungo volo. la ITU (che all’epoca si chiamava ancora CCITT) produsse due ulteriori standard, il V22 (1979) ed il V23 (1976).

Il V23 ha avuto una diffusione significativa perché era quello impiegato per la diffusione del servizi videotex come il minitel francese o il nostro videotel. Utilizza sempre una modulazione AFSK, con un canale primario a 600 o 1200 bps – a seconda delle caratteristiche della linea – ed un canale opzionale a 75 bps per “il controllo di errore”. Era ideale per i terminali videotext, visto che i 75 bps erano più che sufficienti per la digitazione dei comandi, e la tecnologia necessaria alla sua implementazione era sufficientemente economica.

Il V22 invece definisce una connessione a 1200 bps simmetrica. Per raggiungere questa velocità uso uno chema di modulazione più evoluto, chiamato DPSK, e che utilizza una modulazione di fase.  Il flusso dati viene suddiviso dal modem in quattro gruppi di due bit (dibits) e trasmesso modulando la fase in uno dei 4 diversi valori (0,90,180,270). Ad ogni cambio di stato non viene trasmesso più solo bit, ma un simbolo, che rappresenta un gruppo di bit – in questo caso due.
Ovviamente questo richiede apparati più sofisticati per la codifica e la decodifica, e linee di migliore qualità, visto che è più critico discriminare i 4 valori del dibit anziché i due del bit. Nel 1984 l’ITU amenda il protocollo V22 con un bis, e allargando il simbolo a 4 bit, porta la velocità finale a 2400bps (600baud per 4 bit).

Agli inizi sono innovazioni lente ad imporsi. In quegli anni i modem non erano oggetti propriamente abbordabili, con un costo a bit di circa 80 centesimi di dollaro. Agli inizi dell’84 lo Smartmodem 300 si vendeva a circa 200$, il 1200 intorno ai 500. Per fare un paragone, a quei tempi un Commodore 64 costava intorno ai 300$, mentre il VIC20 rimaneva sul filo dei 100$. Per inciso, cito i prezzi in dollari perchè in quegli anni dalle nostre parti i modem erano oggetti del tutto illegali, visto che la normativa riservava al monopolista Sip la trasmissione dei dati.
D’alto canto, la poca banda disponibile in un circuito voce impone dei limiti stringenti, e per aumentare la velocità disponibile è indispensabile passare a tecniche di modulazione più sofisticate. Cosa che richiede modem più complessi e sofisticati e, quindi, più costosi.

Nel lustro successivo ITU definì il protocollo V32 a 9600 bps. Per raggiungere questo risultato vennero usate due distinte innovazioni.
La prima era costituita della cancellazione dell’eco. Se negli standard precedenti, la trasmissione full duplex era resa possibile suddividendo la banda in due canali distinti, ognuno assegnato ad uno delle due direzioni, con il V32 entrambi i canali condividevano la stessa banda, ma ognuna delle parti riceveva il solo segnale della controparte perché il proprio era cancellato da un apposito circuito.
La seconda innovazione era costituita da una nuova forma di modulazione: Trellis Code (TCM). Deve il suo nome al graticciato per piante rampiucanti (in inglese, trellis lattice) visto la sua somiglianza con la rappresentazione grafica del suo schema di codifica dei suoi simboli a 5 bit. Di questi, quattro sono usati per la trasmissione del dato (2400 baud per 4 bit = 9600 bps). Il successivo V32bis impiega invece 7 bit (sei per i dati), estendendo la velocità a 14.400 bps.

Parallelamente al miglioramento delle tecniche di modulazione, un altro progresso prendeva forma, che interveniva direttamente sui dati scambiati. Originariamente messo a punto dalla Microcom e chiamato Networking Protocol (MNP) , è stato successivamente formalizzato dalla ITU con lo standard V42.
MNP è un protocollo abbasttanza complesso – nel tempo sono stati rilasciati 10 livelli distinti, da MNP1 aMNP10 – che ha lo scopo di assicurare un canale privo di errori fra i due modem, che quindi provvedono a rilevare e gestire ogni anomalia di trasmissione, ed anche comprimere i dati scambiati con un rapporto che poteva arrivare anche al 4:1, con innegabili vantaggi sulla velocità effettiva di scambio dei dati.

Nei primi anni ’90 la stragrande maggioranza dei modem disponibili era in grado di connettere tutti gli standard principali, compreso il recentissimo V34 a 33.600 baud, con la compressione e correzione d’errore del protocollo MNP-5.

Vale la pena ricordare che nella corsa al modem più performante, alcune aziende hanno cavalcato soluzioni proprietarie per raggiungere velocità più elevate rispetto agli standard del momento. Non erano ovviamente prodotti economici, costando al loro lancio fra i 1000 ed i 1400$.

Due sono, a mio giudizio, i modelli che hanno segnato il periodo. Il primo è sicuramente il Telebit Trailblazer.
Telebit fu fondata da Paul Baran, l’inventore della commutazione di pacchetto alla base delle reti dati moderne, e nel 1985 iniziò a produrre il trailblazer, un modem in grado di raggiungere 18.000 bps, in un momento storico in cui la velocità più elevata era di 2400 bps. Usava uno schema definito PEP (packet ensable protocol) che è simile a quello impiegato ai nostri giorni per le comunicazioni digitali ad alta velocità (OFDM). Anzichè modulare un singolo tono, PEP suddivide la banda in un numero rilevante di portanti, sino a 512, ognuna delle quale trasporta sino a 36 bit. Nell’86 fu rilasciato un modello economicamente più abbordabile, il T1000, che aveva velocità di punta di 9600 baud.

Un altro prodotto che bisogna ricordare è l’US Robotics HST. Implementava un canale primario ad alta velocità (in origine 9600 bps, poi espanso sino a 16.8kbps) ed un secondario a 300 baud, quindi sostanzialmente half duplex, ma con una tecnica di commutazione veloce dei due canali chiamata X2. L’HST ha avuto una diffusione significativa anche per lo schema di marketing utilizzato, che prevedeva sconti rilevanti ai gestori delle BBS statunitensi. Era pertanto molto diffuso in ambito FidoNet.

Come facevano i modem a destreggiarsi in questa babele di differenti schemi di modulazione? Ovviamente seguendo un altro standard ITU, chiamato V8bis, che definisce la procedura che due modem utilizzano per individuare le modalità di comunicazione condivise da entrambi. Sono quei suoni, ben noti a chiunque abbia usato i modem sino agli inizi del nuovo millennio, che vengono comunemente definiti modem handshake. Vi sono due rappresentazioni visive che vanno ben oltre le fredde parole. La prima è l’immagine commentata degli eventi che compongono la procedura, realizzata da Oona Räisänen, e rilasciata con licenza CC BY-SA 3.0.

La seconda è un video, di Scotty H, dello spettrogramma dell’intero processo, sincronizzato con la parte audio, in cui sono facilmente individuabili gli elementi componenti di ognuno degli standard che ho sin qui descritto.

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